基于功能共振分析的可燃冰開采裝備體系風(fēng)險(xiǎn)評估

苗 洋，張永存，王友樂，冷述棟，梁樹森

1.天津新港船舶重工有限責(zé)任公司修船廠，天津 300452

2.中船重工船舶設(shè)計(jì)研究中心有限公司，北京 100081

自南海神狐海域可燃冰試采成功以來，國務(wù)院于2017年年底將可燃冰列為我國第173個(gè)礦種，水合物產(chǎn)業(yè)化的進(jìn)程得到了大力推進(jìn)，商業(yè)化開采的實(shí)現(xiàn)指日可待[1]。但由于水合物開采相對于傳統(tǒng)石油、天然氣開采起步較晚，在鉆探、采集、儲運(yùn)等方面尚有技術(shù)難關(guān)需要攻克，各國在商業(yè)化開采的實(shí)現(xiàn)上還存在一定困難。

可燃冰開采方式眾多，僅目前嘗試成功的就有降壓、加熱、置換、固態(tài)流化等方法[2]，加之采出處理、儲存運(yùn)輸?shù)鹊姆椒ǚN類繁多，相互組合能得到數(shù)種不同開采方式，因此需要對在設(shè)計(jì)階段的開采裝備體系進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評估，以找到最適合商業(yè)化開采的組合。

相比于傳統(tǒng)的現(xiàn)狀評估，設(shè)計(jì)階段的風(fēng)險(xiǎn)評估裝備本身存在不具體、不確定的因素，還要注意評估結(jié)果應(yīng)該是在裝備體系宏觀層面上的系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)，而非針對單個(gè)設(shè)備。傳統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評估方法如HAZOP、FMEA方法評價(jià)開采裝備體系只能找到其中單個(gè)設(shè)備的風(fēng)險(xiǎn)[3-4]；基于IRML等的系統(tǒng)評價(jià)方法雖然也能針對裝備體系進(jìn)行系統(tǒng)評價(jià)，但更適用于設(shè)計(jì)完成階段的結(jié)構(gòu)明確、具體的系統(tǒng)[5]；危險(xiǎn)源辨識方法能夠?qū)Τ醪皆O(shè)計(jì)階段單一方案風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行有效辨識，但對象一般為公路橋梁和隧道工程等項(xiàng)目（其在現(xiàn)階段，已有大量工程實(shí)踐可作為參考）[6-7]，而對于商業(yè)化開采經(jīng)驗(yàn)尚為空白的可燃冰領(lǐng)域，其借鑒價(jià)值較小。因此，本文嘗試采用功能共振方法對處于設(shè)計(jì)階段的可燃冰開采裝備體系進(jìn)行系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)識別與評估。

1 功能共振分析方法原理

功能共振分析方法（Functional Resonance Analysis Method，F(xiàn)RAM） 于 2004年 由 Erik Hollnagel 提出，最初被稱為功能共振事故模型（ Functional Resonance Accident Model，F(xiàn)RAM），廣泛運(yùn)用于安全問題的分析，尤其是在航空航天領(lǐng)域中對事故的解釋[8-10]。

隨著模型的廣泛運(yùn)用，人們發(fā)現(xiàn)它擅長從整個(gè)系統(tǒng)功能特征的角度分析事故以及辨識動(dòng)態(tài)系統(tǒng)中的風(fēng)險(xiǎn)因素[11-12]，能夠良好地察覺與檢測單個(gè)功能的微弱性能變異，找出引發(fā)事故的根本原因，并提出降低事故風(fēng)險(xiǎn)的具體防控措施，因此現(xiàn)在將其明確為一種基于共振的分析方法，并也可用于復(fù)雜社會(huì)-技術(shù)系統(tǒng)中的風(fēng)險(xiǎn)評估[8,13]。

2 功能共振分析方法流程

2.1 識別和描述系統(tǒng)功能

任務(wù)分析是識別與描述功能的基礎(chǔ)，其目的是從輸入、輸出、前提、資源、時(shí)間和控制6個(gè)方面的特征描述任務(wù)，辨別刻畫一個(gè)或一組特定任務(wù)的基本特性，6個(gè)特征具體描述如下[17]：

（1）輸入（Input，I）：功能啟動(dòng)的事物或者功能將要處理或轉(zhuǎn)化的事物。

（2）輸出（Out，O）：由功能單位產(chǎn)生的結(jié)果，可以是某個(gè)實(shí)體，也可以是狀態(tài)變化，并與后一功能單位構(gòu)成連接。

（3）前提（Preconditions，P）：執(zhí)行功能之前必須存在的系統(tǒng)條件。

（4）資源（Resources，R）：執(zhí)行功能所需要或消耗以產(chǎn)生輸出的事物，如物質(zhì)、能源、軟件、硬件、人力等。

（5）時(shí)間（Time，T）：影響功能的時(shí)間約束，也可看作特殊資源（與起始時(shí)間、結(jié)束時(shí)間和持續(xù)時(shí)間相關(guān)）。

（6）控制（Control，C）：對某一功能進(jìn)行監(jiān)控或控制，可以是計(jì)劃、程序、指導(dǎo)方針或其他功能。

識別出功能后，采用如圖1所示的六角圖形表達(dá)法來描述功能模塊。

圖1 六角功能模塊

2.2 評估功能潛在的性能波動(dòng)

描述組成FRAM模型的功能變化特性，既對潛在變化進(jìn)行描述，也對實(shí)際變化進(jìn)行描述。根據(jù)一般性能條件對風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行識別和分類，并對功能模塊進(jìn)行評估，確定功能模塊性能波動(dòng)狀態(tài)，步驟如下：

（1）Erik 在構(gòu)想 FRAM 方法時(shí)，劃分的層次化任務(wù)主體一般為實(shí)現(xiàn)某項(xiàng)具體功能的作業(yè)程序，因此對任務(wù)主體提出的11個(gè)作業(yè)程序一般性能條件包括了該任務(wù)主體涉及的人員技術(shù)和組織關(guān)系[14]，如表1中的（a）列所示。由于本文的任務(wù)主體變成了具有某項(xiàng)具體功能的成套裝備，因此在后續(xù)的一般性能評價(jià)中，考慮了裝備從設(shè)計(jì)制造、安裝操作到維護(hù)保養(yǎng)所需經(jīng)歷的各個(gè)階段，找出與原方法類別對應(yīng)的11個(gè)成套裝備一般性能條件，如表1中的（b）列所示。

（2）根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)因素對每個(gè)功能模塊的性能變化進(jìn)行評估，評估結(jié)果可以分為充分、不充分和無法確定。充分，即穩(wěn)定或可變但充分，表示功能模塊相對于該一般性能條件的風(fēng)險(xiǎn)因素出現(xiàn)的概率較低；不充分，即穩(wěn)定或可變但不充分，表示功能模塊相對于該一般性能條件的風(fēng)險(xiǎn)因素出現(xiàn)的概率較高；無法確定，表示功能模塊相對于該一般性能條件的風(fēng)險(xiǎn)因素出現(xiàn)的概率非常大。

表1 兩種類別任務(wù)主體的一般性能條件

（3）統(tǒng)計(jì)各功能模塊的11個(gè)一般性能條件評估結(jié)果，得到各功能模塊的性能變化狀態(tài)。功能模塊的性能按從小到大的波動(dòng)變化分為4種狀態(tài)：戰(zhàn)略、戰(zhàn)術(shù)、機(jī)會(huì)和隨機(jī)，功能狀態(tài)評估標(biāo)準(zhǔn)如表2所示，當(dāng)評估結(jié)果不一致時(shí)，以性能波動(dòng)狀態(tài)高的等級為主。

表2 各功能模塊的功能狀態(tài)評估標(biāo)準(zhǔn)

2.3 確定功能共振的可能性

性能波動(dòng)狀態(tài)為“隨機(jī)”的功能模塊，其性能波動(dòng)較大，極易成為失效功能模塊，產(chǎn)生功能共振。根據(jù)建立的FRAM功能網(wǎng)絡(luò)，尋找與“隨機(jī)”功能模塊建立連接的功能模塊，分析各相關(guān)功能模塊產(chǎn)生失效對“隨機(jī)”功能模塊的影響，從而確定功能共振模塊、功能共振的影響因素及失效的連接。

2.4 制訂性能變化的防控屏障

根據(jù)確定功能共振可能性的分析結(jié)果，針對各功能模塊一般性能條件的風(fēng)險(xiǎn)因素以及功能共振的影響因素，從物理屏障、功能屏障、象征屏障和無形屏障4個(gè)方面對可燃冰開采裝備體系提出風(fēng)險(xiǎn)防控措施。

3 案例分析

3.1 可燃冰開采裝備體系簡述

可燃冰商業(yè)化開采過程是在勘探并選址完成后進(jìn)行的包括鉆探、開采、處理、集輸和儲運(yùn)等復(fù)雜流程，其涉及的裝備體系龐大，種類繁多，與傳統(tǒng)海上石油天然氣開采的最大不同之處在于開采原理新穎、開發(fā)方案多樣。本文以南海北部陸緣的神狐海域?yàn)槟繕?biāo)開采區(qū)域?yàn)槔?，采用多梯度降壓法開采，使用管道集輸、半潛式平臺LNG儲存和搭配穿梭油輪的儲運(yùn)方式，對開采過程中涉及的裝備體系進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評估。

在開采過程中，首先由鉆機(jī)系統(tǒng)與泥漿系統(tǒng)配合打下開采井，隨鉆測井裝備返回當(dāng)前井下信息，到達(dá)預(yù)定位置后安裝完井防砂裝備，其間應(yīng)精確控制生產(chǎn)速度和壓力以控制水合物的分解效果；其次主控站控制系統(tǒng)發(fā)出指令，控制液壓站輸出液壓液、水下電力單元輸出電力及化學(xué)藥劑通過臍帶纜傳輸至水下，由水下分配總成分配資源至各個(gè)水下控制模塊進(jìn)而產(chǎn)生動(dòng)作[15]；數(shù)據(jù)監(jiān)控采集系統(tǒng)收集水下生產(chǎn)信號，并通過臍帶纜傳輸回主控室數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，后者根據(jù)數(shù)據(jù)信息對當(dāng)前開采指令進(jìn)行修正；人工舉升設(shè)備通過泵吸作用降低氣體水合物儲層的壓力，使其低于水合物在該區(qū)域溫度條件下相平衡壓力，從而使水合物從固體相變分解產(chǎn)生甲烷氣體，并經(jīng)過采氣樹和臍帶纜提升至水上平臺；隨后采出物分別經(jīng)過氣水分離設(shè)備、天然氣處理與計(jì)量系統(tǒng)達(dá)到質(zhì)量要求，污水處理系統(tǒng)與乙二醇再生回收系統(tǒng)用于處理采出物凈化過程中產(chǎn)生的伴生物；最后天然氣進(jìn)入集輸管道或以液態(tài)形式存放于儲存系統(tǒng)內(nèi)，并通過穿梭油輪外輸[16]。在整個(gè)過程中，動(dòng)力定位系統(tǒng)為平臺提供相對水下井口靜止的位置，電力系統(tǒng)為一切生產(chǎn)活動(dòng)提供所需能量來源。

3.2 可燃冰開采裝備體系風(fēng)險(xiǎn)分析

（1）識別和描述系統(tǒng)功能。根據(jù)對可燃冰開采裝備體系的描述，按深水可燃冰開采關(guān)鍵裝備涉及的開采流程，將可燃冰開采裝備劃分為鉆探、開采、處理、集輸和其他5個(gè)功能類型，共28個(gè)子功能模塊，具體裝備體系如表3所示。分別對28個(gè)功能模塊進(jìn)行特征描述，以F4完井防砂裝備功能模塊為例，其6個(gè)特征的分析結(jié)果如表4所示。隨后根據(jù)各模塊之間的功能關(guān)系，建立深水可燃冰開采關(guān)鍵裝備功能網(wǎng)絡(luò)，如圖2所示。

（2）評估功能的潛在性能波動(dòng)。利用六角功能模塊分析每一個(gè)模塊的具體內(nèi)容并描述，根據(jù)表1提供的共同性能條件，對每個(gè)功能的性能變化進(jìn)行評估。完井防砂裝備功能模塊風(fēng)險(xiǎn)分析結(jié)果如表5所示。

圖2 可燃冰開采關(guān)鍵裝備功能網(wǎng)絡(luò)

表3 可燃冰開采關(guān)鍵裝備體系

表4 F4完井防砂裝備功能模塊特征分析結(jié)果

分別對可燃冰開采裝備體系中28個(gè)功能模塊進(jìn)行功能狀態(tài)識別，得到各模塊的狀態(tài)，其中評估結(jié)果為“隨機(jī)”的功能模塊包括：F4完井防砂裝備、E5水下控制模塊、G2天然氣處理系統(tǒng)、G5乙二醇再生回收系統(tǒng)、H2穿梭油輪外輸系統(tǒng)和I3水下遙控作業(yè)機(jī)器人。

（3）確定功能共振的可能性。根據(jù)如圖2所示的可燃冰開采關(guān)鍵裝備FRAM網(wǎng)絡(luò)，尋找其中與“隨機(jī)”功能模塊建立連接的功能模塊，分析各相關(guān)功能模塊產(chǎn)生失效對“隨機(jī)”功能模塊的影響情況，從而確定功能共振模塊、失效的連接功能共振及影響因素，如表6所示，其中各失效功能連接對應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)因素即該功能模塊對應(yīng)的最主要風(fēng)險(xiǎn)因素。

表5 F4完井防砂裝備功能模塊風(fēng)險(xiǎn)分析

表6 可燃冰開采關(guān)鍵裝備系統(tǒng)失效鏈接與功能共振影響因素

續(xù)表6 可燃冰開采關(guān)鍵裝備系統(tǒng)失效鏈接與功能共振影響因素

（4）制訂性能變化的防控屏障。根據(jù)表6中識別出的可燃冰開采關(guān)鍵裝備體系各功能模塊的最主要風(fēng)險(xiǎn)因素，提出對應(yīng)的安全措施，如表7所示。

表7 可燃冰開采裝備體系主要風(fēng)險(xiǎn)因素對應(yīng)的防控屏障

3.3 案例分析結(jié)果

經(jīng)評估發(fā)現(xiàn)，采用降壓法采出、管道集輸與穿梭油輪運(yùn)送LNG的可燃冰開采方式，需要重點(diǎn)關(guān)注以下方面：第一，防砂裝備、人工舉升裝備、采氣樹、防噴器等關(guān)鍵開采裝備功能完整性檢查；第二，水下分配總成、水下控制模塊和數(shù)據(jù)監(jiān)測采集系統(tǒng)等自動(dòng)化程度較高設(shè)備的可靠性；第三，電力系統(tǒng)、動(dòng)力定位系統(tǒng)等貫穿開采周期的裝備工作狀態(tài)，以及LNG外輸?shù)壬婕叭藶椴僮鬏^多作業(yè)中的人員培訓(xùn)與操作規(guī)范。

4 結(jié)論

（1）對處于設(shè)計(jì)階段的可燃冰商業(yè)化開采裝備體系的主要風(fēng)險(xiǎn)因素，從系統(tǒng)的角度進(jìn)行了識別與評估，制訂對應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)防控措施以保證商業(yè)利益最大化。

（2）結(jié)合開采裝備體系特點(diǎn)，對功能共振分析方法中的一般性能條件進(jìn)行了改良，將方法分析對象由單一工藝或操作過程替換為成套裝備體系，實(shí)現(xiàn)了方法對象適用范圍的拓展，并通過實(shí)例驗(yàn)證。

（3）以采用降壓法采出、管道集輸與穿梭油輪運(yùn)送LNG的可燃冰開采裝備體系為例進(jìn)行分析，從系統(tǒng)的角度分析了在開采過程中風(fēng)險(xiǎn)較大的完井防砂、水下控制、天然氣處理等模塊發(fā)生性能波動(dòng)可能造成的影響，識別了波動(dòng)障礙，并針對性地從物理屏障、功能屏障、象征屏障和無形屏障四個(gè)方面，提出了嚴(yán)格控制防砂裝備質(zhì)量、建立化學(xué)藥劑質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)以及通過教育培訓(xùn)減少人員在外輸或其他需重點(diǎn)關(guān)注作業(yè)中誤操作等主要控制措施。